автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Система многофункциональных линейных электродвигателей

УРАЛЬСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО. ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ С.М.КИРОВА '

Э02 аУ

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

ГУРНИЦКИй ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

)

. I

и X ■1

р I

о-»

а

УДК 621.313.13-12 (088.8)

СИСТЕМА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

■ 05.09.01 - ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЁНОЙ СТЕПЕНИ . ДОКТОРА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

СВЕРДЛОВСК - 1989

Работа выполнена в Ставропольском ордеиа Трудового Красного Знамени сельскохозяйственном институте

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ковалёв Ю.З. - доктор технических наук, профессор Мамедов Ф.А.

доктор технических наук, профессор Резин М.Г.

Ведущее предприятие - Научно-производственное объединение

■ "Взрывозащищённое электрооборудование" ' (г, Донецк)

Защита диссертации состоится "__"__'_____ 19 . г..

в ^__часов, на заседании специализированного совета! Д.063.14.05

по присуждению ученой степени доктора технических наук в Уральском ордена Трудового. Красного Зн&мени политехническом институте имени С.М.Кирова по адресу: 620002, г.Свердловсх, К-2, ауд. Э-406.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского • политехнического института.

Отзывы ( б двух- экземплярах, заверенные печатью) просим неправлять по адресу: 620002 , г.Свердловск, К - 2, Совет УПЙ .

Автореферат разослан "____"______19 . г.

Ученый секретарь специализированного совета Д.063.14.05 доктор технических наук, профессор

Л.'

Т.Пластун

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. На современном этапе научно-технического прогресса весьма актуальной становотся проблема создания новых электроприводов, обладании широкими функциональными возмонностямя и одновременно конкурентоспособных в технико-экономическом отношении. Ретроспективно и на сегодняшний день эта проблема имеет два аспекта: первый - удовлетворение предъявляемых к электроприводу требований за счет совершенствования схем (систем) управления, второй - достиаение тех не целей путем разработки более эффективных конструкций электродвигателей. Следует отметить, что в практическом плане преимущественное развитие подучило первое направление. Второе ге, несмотря на изобилие конструктивных решений, и теперь не привело к создании многофункциональных электрических двигателей.- Проведенный анализ убедительно показывает, что стоимость электропривода, в зависимости от числэ выполняемых игл функций, возрастает в степени большей единицы при реализации первого и в степени меньшей единицы - при реализации второго аспекта. Все отмеченное приблизительно в равной мерэ относится как к вращавдимся двигателя?л (ВД), так и к линейным (ДЦ) - быстро развивавдимся и недостаточно исследованным. Вагно отметать при этом, что число производственных машин и механизмов с вращавдимся и линейным движением рабочих органов в народном хозяйстве вполне соизмеряет. Рассмотренные обстоятельства однозначно дшсгулг целесообразность внимательного отношения к проблема создания и изучения многофункциональных электродвигателей и, в частности, разработанных линейных управляющих двигателей (ЛУД), выполнпщях, кроме общеизвестных и относительно легко воспроизводимых, такие функции как перемещение подвижной части (якоря) по требуемому закону,

позиционирование, подход к любой точке пути с заданной скоростью,' совмещение нескольких видов движения (поступательное, колебательное, вращательное), работа на упор, целенаправленное регулирование вида характеристики электромагнитной силы в процессе перемещения якоря.

Исследования выполнены в рамках Програшы фундаментальных работ АН СССР и Академий Наук сошных республик по проблеме "Роботы и робототехнические системы" и сответствувдего Постановления ГКНТ от 28.02.79 года Ш1.

Целью работы является создание и комплексное исследование линейных управляющих электродвигателей, а также решение с позиций системного подхода их основных задач: I - установление общих закономерностей построения конструкций ЛУД; 2 - разработка теоретических и методологических основ расчета и приемов огптшизации их магнитных систем; 3 - развитие представлений о характеристиках электромагнитных двигателей в .. статике, изучение выявленных взаимозависимостей и общее решение задачи синтеза соотыетствухщих характеристик; 4 - исследование протекающих в ЛУД электромагнитных и электромеханических переходных процессов с учетом влияния вихревых токов, а танке . получение главных динамических характеристик; 9 - разработка рациональных алгоритмов проведения математических и физических экспериментов; 6 - изучение процессов экергопреобразования и тепловых реаимов осноеы систем двигателей - гаг,¡мы ЛУД; 7 алгоритмизация нелинейного подобия и формирование критерия подобия систеш ЛУД для происходящих в нэй статических и динамических процессов - электромагнитных, электромеханических и тепловых; 6 - исследование характеристик двигателя, проявляющихся ■ при его работе в составе систем автоматического упрсаяэнгш -

САУ; 9 - построение методологии исследования, расчета и проектирования ЛУД как основного элемента электропривода нового поколения. При решении поставленных задач разработана стратегия построения и анализа математических соотношений, оптимизации параметров и синтеза выходных характеристик созданной системы линейных'электродвигателей с управляемым перемещением подвижной части; данная сторона проблемы подробно освещена в работе. Делается попытка прогнозирования дальнейшего совершенствования такой стратегии с учетом определявдих ее факторов и намэчащихся тенденций развития электромагнитных управляющих систем.

Стратегия исследования: - возможное использование зарекомендовавших себя методов анализа и-расчета с точки зрения их эффективности по известным критериям; - преемственность медду разделами исследований на базе повсеместного исследования изучаемых зависимостей в функции одних и тех же параметров; -. аналитическое решение ряда задач путем функционального выражения времени и использования данных физического эксперимента; - опора на математический эксперимент при системных исследованиях; - разработка специальных методов исследования; - абстрактные (идеология, методология, концёпция, теорема, следствие) и конкретные исследования отдельного двигателя и системы ЛУД; - всестороннее изучение внутренних и внешних возможностей двигателя; - изучение свойств, параметров, комплексных параметров, характеристик и показателей работы рассматриваемых двигателей; - концентрация усилий на исследовании новых возможностей гаммы базовой конструкции ДУД и- ее модификаций; - использование результатов разработанной теории нелинейного подобия алектромагаитных двигателей; - четкое видение направлений исследований с ориентировкой на инженерные приложения; - лабораторные

эксперименты, испытания опытных образцов и изучение работающих двигателей-в производственных условиях.

Научная новизна.

С позиций системного подхода поставлена и решена научная проблема, а таете ее задачи - анализа, оптимизации и синтеза новой системы электромагнитных двигателей, разработанной не основе' созданной гаммы ЛУД, принципиальное преимущество .представителей которой по сравнению с соответствующими известными конструкциями состоит в их многофункциональности.

Установлены закономерности формирования магнитных систем ЛУД - теоремы и следствия - основывающиеся на необычном взаимном расположении по оси и радиусам геометрических центров намагничиваниях сил для осевого сечения катушки (макротоков) и центров масс изготовленных из однородных ферромагнитных материалов маг-нитопровода статора и якоря (микротоков).

Выявлены и исследованы особенности магнитных систем элект-ромагшггных управляющих двигателей, а также формализованы свойства. ЛУД, позволяющие, в частности, получить линейную внешнюю характеристику при переменном графике нагрузки.

Исследованы неизвестные ранее характеристики линейного электромагнитного двигателя в статике - номинальные, статические, гвшовые и рабочие, на основании чего в общем виде решена задача синтеза характеристики электромагнитной силы для ЛУД с секционированной (профилированной) намагничивапцей катушкой.

• Сформулировано условие точности позиционирования подвязной части электромагнитного двигателя в функции величины силы трения в направляющих (подшипниках) и производных характеристик по перемещению якоря для действующих и противодействующих сил.

Изучены переходные процессы системы электромагнитных управ-

лящих двигателей в условиях детерминированного изменения тока при вариациях габаритов и параметров, в результате чего теоретически и практически решен вопрос о получении всех необходимых динамических характеристик ЛУД.

Найдено решение задачи о протекании тепловых процессов в ЛУД с учётом влияния основных метеорологических факторов (температуры, скорости движения воздуха, влажности и атмосферного давления).

Получены закономерности эффективного энергопреобразованкя нефорсированных и форсированных ЛУД при изменении гаСаригных размеров и в зависимости от релима работа.

Составлен алгоритм и сформирован критерий нелинейного подобия электромагнитного двигателя, которые позволят- оптимально учесть противоречивые требования геометрического, механического, электрического, магнитного и теплового подобия.

Установлены новые.взаимозависимости между параметрами и характеристиками исследуемого электромагнитного двигателя, работающего в системах автоматического управления.

Поставлена и решена аналитическая квазидинамическвя задача об электрифицированном агрегате, содержащем электромагнитный двигатель с пропорциональным регулированием и производственный механизм с произвольным циклическим графиком нагрузки.

Представлены'количественно и изучены основные технические, технологические, функциональные и экономические свойства, характеристики и показатели работа двигателя.

Достоверность, полученных результатов обусловливается корректным использованием известных математических выражений и аналитических зависимостей теоретической электротехники, достаточно высокой адекватностью ма-

тематических и физических моделей исследованным конструкциям и процессам, как минимум, удовлетворительным совпадением результатов расчетов и экспериментальных данных, полученных в ходе соответствующих испытаний двигателей разработанной системы в лабораторных и произволственных условиях. ,

Основные научные полонен и я.

1. Теоретическое обобщение проблемы создания система многофункциональных приводов с линейными управляющими электродвигателям. •

2. Методологические основы - принцип смещения центров масс макротоков и микротоков, теоремы и их следствия - построения магнитных систем ЛУД.

3. Новое поколение линейных электромагнитных машин, выгодно отличакдшсся от своих'аналогов и прототипе вследствие благоприятного сочетания главных качеств - многофушсционалыюсти и конкурентоспособности.

4. Комплекс параметров и комплексные параметры системы линейных управляющих двигателей, входящих в уравнения статики и динамикл.

5. Дйференцлальшэ уравнения и уравнения проектирования линейных упраБлгшцях двигателе!!.

6. Особенности процессов преобразования энергии в системе нефорсировакныг и форсированных ЛУД.

7. .Закономерности нелинейного подобия и критерий подобия для системы линейных электромагнитных двигателей.

8. Установление неизвестно ранее свойств лишайных элюкт-ромапигных двигателей, в том числе, работающих в составе систем автоматического упрашгеш-гл.

Э. /лгар»ггшзац!:и задач го расчету и проеитпров&ккэ пргшо-

дов с линейными управляющими двигателями;,

Практическая ценность. Разработанные теоретические и методологические основы анализа,. оптимизации и построения линейных управлягадах электродвигателей позволяет создать систему высокоэффективных в теишко-зконо'мяческом отношении линейных электромагнитных приводов, выполняпцих за счет внутренних возможностей'ЛУД брльшой комплекс сложных функций при перемещения подвязной части, который до настоящего времени мог быть реализован лишь путем значительного .усложнения (удорожания) схем управления для традиционных двигателей. Заложены основы инженерных расчетов, конструирования и проектирования ЛУД, которые могут быть целесообразно использованы в различных отраслях народного хозяйства, в частности, во всевозможных системах автоматического управления и робототегкическпх устройствах.

Внедрение результатов работы.

Разработанная система, теоретические положения л инзенер-ше мэтода расчета рассматриваемых линейных двигателей пртмэия-Еггся в научно исследовательских работав, при проектировании й эксплуатации ЛУД,' работающих как.автономно, так и в составе систем автоматического'управления.

1. Центральному НИИ робототехники и технической кибернетика переданы материалы для проектирования гомга линзйих управляющих электродвигателей,- а таете мелкосерийные образца ЛУД-1-У4 и комплект техдояумэетоцпи к шел для использования в составе электроприводов перспективных конструкций роботов и манлпулятороз.

2. В лаборатории импульсных методов нзнесенпп порошковых покрытий Алтайского НИИ технологии машиностроения внедрены электропривода с линейны?® управллвдтж двнгателпмя, осуществляющими дистанционное перемещение напыляемы: деталей в детонахщон-

но-гавовой камере.

3. Рассмотренные технико-экономические показатели линейных шогофункциональных электроприводов дали основания Всесоюзному КИИ овцеводства и козоводства рекомендовать их для использования в животноводстве, а Ставропольский НИИ сельского хозяй'тгва дал аналогичную рекомендацию для растениеводства.

4. ВШИ люминофоров и особо чистых веществ переданы опытно-промышленные образцы приводов с ЛУД, а такте комплекта техдокументации к ним для использования в научно-исследовательских установках. .

5. Московское СУ СоюзоргбумпроМа Министерства лесной и целлюлозно-бумажной промышленности рекомендовало использовать электроприводы с ЛУД на предприятиях отрасли.

6. Ленинградскому сельскохозяйственному институту передан мелкосерийный образец ЛУД-7-У4 и техдокументация к нему для создания привода поточного дефектоскопа, заложенного в конструкции конвейерной линии на 15 миллионов яиц в год в соответствии с Координационным планом по Програ:.а1й 0 сх 102 ШХ СССР и региональной программ (Ленинградская область) "КнтенсЕфикацп~-90".

7. СКТБ геофизической техники (г.Томск ) 1Лашефгепро;яа переданы три образца линейных управляющих .электродвигателей со схе-шй управления и комплекты тегдокукэнгеции дот использования в составе пластс-лого наклономера с высокой термостойкостью, оксе-лерокзтряческиг,! устройством и управляешш рычагами (Програьгла СЭВ по тешз П-1-3).

8. Всесоюзно:^ институту олзктргфзшцш сельского хозяйства ВДОХНИЛ парздаш макетные образцы электрощшнодов двух роботов доения, построенные по разиги ко^гюизвочным схемам, в осного .которых папаньзувгая ЛУД дауг ьэдаЗ&аедкй; пр'л ют:л текпз пере-

дана соответствующая техдокументация. Одновременно ВИЭСХ передан комплект техдокументации и образцы электроприводов с ЛУД, предназначенные для индивидуальной раздачи кормов животным.

9. В 1988 году ПО "Электроавтоматика" (г.Ставрополь) и ЦОП КБ ВИЭСХ (г.Москва) изготовлены III изделий ЛУД-УЗ 8 типоразмеров и 2 модификаций, предназначенных для автоматизации технологических процессов с.-х. производства, а такяе блоки питания и управления, механическая часть соответствующих манипуляторов и техдокументация (СКВ Росагропромета, СК'ГВ ПТ г.Ставрополь).

10. В период с 1982 по 1987 годы СКВ Росагропрошаш и хозяйствами Ставропольского края, а такге в Ставропольском СХИ для потребностей промышленных предприятий, с.-х. производства, различных выставок и учебного процесса изготовлены едштачше экземпляры ЛУД общим количеством 65 единиц.

11. Техническая документация на линейные управдавдие электродвигатели различных кодификаций переслана Ставропольским ЩГГИ по запросам: ВЛО ШО "Квант"{г.Великие Луки), ПГСГИ (г.Кишинев), Куйбышевского завода автотракторного электрооборудования, Опытно-акспериментального завода (г.Новгород), завода "Ми-крокомпоненг" (г.Учкекен), Вгорчзркета (г.Ставрополь), завода конденсаторов (г.Карачаевок), завода "Сельмаш" (г.Брянск), ПО "Сборочные механизмы" (г.Павлодар), завода "Ресурс" (г.Boro-родск), НПО Дальтехрыбпром (г.Владивосток), завода слесарно-моетакного инструмента (г.Боготол), завода "Электроточприбор" (г.Омск) и др. (всего свыше 30 адресов).

12. Теоретические и методологические разработки, галогенные в настоящей'диссертации, внедрены в учебный процесс квфедр "Применение" электроэнергии в сельском хозяйстве" и "Электрические машины^ Ставропольского сельскохозяйственного института

для студентов очного и заочного отделений, а также для факультета повышения квалификации по специальности 31.14.01. - "Электрификации сельского хозяйства'' при чтении лекций по курсам "Электрические машины" и "Основы электропривода", при выполнении курсовых проектов по дисципллне "Проектирование комплексной электрификации" и при дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные- положения и результата диссертации докладывались и обсувдались на следующих научно технических заседаниях, семинарах, конференциях, совещаниях.

Институт электродинамики АН УССР, семинар "Проблемы создания электродвигателей и автоматизированных электроприводов переменного тока", Киев, 1984 г.

Таллинский политехнический институт, кафедра основ электротехники, 1985 г.

Ленинградский сельскохозяйственный институт, научная кон-, ференция профессорско-преподавательского состава, 1985 г.

• Одесский технологический институт. Отраслевая лаборатория машин-автоматов и автоматических линий пищевой промышленности, 1983 г.

Каунасский политехнический институт, кафедра электротехнических дисциплин, Клайпеда, 1987 г.

Пермский политехнический институт, кафедра общей электротехники, 1987 г.

Ставропольский политехнический институт, совместный семинар кафедр электроснабаения промышленных предприятий и теоретических основ злектротехшцги, 1983 г.; заседание проблемного совета энергетического факультета, 1937 г.

Белорусский институт механизации сельского хозяйства, рас-

ширенное заседание кафедры электрических' машин и электропривода, Минск, Ï986 г.

Ереванский политехнический институт, совместный семинар кафедр электрических машин и автоматизации производственных процессов и управления электроприводами, 1986 г.

Львовский голитехничешзтй институт, кафедра электричесхсих машин, 1987 г.

Новочеркасский политехнический институт, расширенное заседание кафедры электрических аппаратов, 1987 г.

Ставропольский сельскохозяйственный институт, научные конференции,, 1980...1998 г.г.

Институт горного дела СО АН СССР, VI Совещание "Электрические . виброимпульсные системы", Новосибирск, 1987 г.

. Уральский политехнический институт, сег.ганар кзфедры электрических машин, Свердловск, 1987' г. -

Московский энергетический институт, заседание Московской городской секции НТО по электрическим машинам, 1988 г.

Отзывы ведущих специалистов на разделы диссертации (Московский энергетический институт, Чедшбинский институт механизации и электрификации сельского хозхяйства, Волгоградский сельскохозяйственный институт. Киевский пслитехническйй институт, Украинская сельскохозяйственная академия).

Публикации. По теме диссертации тлеется 80 работ; 2 монографии, 13 изобретений, 4 отчета по хоздоговорным работам, 4 экспозиции на ВДНХ СССР (1982...1987 г.г.), I экспозиция в НРБ (IS83 г.), I выставка-ярмарка в НРА (1988 г.), I выставка-ярмарка в СРР (1988 г.).

Структура и (о б ъ е м р tr б о т ы . Диссертация состоит из введения, 6 глав, зяклзчения, 146 рисунков,

20 таблиц, списка литературы (250 наименований); общий объем работы составляет 428 страниц.

СОДЕРЕАНИЕ РАБОТЫ Во. введении с позиций системного подхода и с использованием комплекса критериев (по проф. Я.Дитриху, ПНР) проведен анализ целесообразности создания системы многофункцио- ' нальных линейных управляющих электродвигателей исходя из "поля видения" их социально-технической адекватности потребностям интенсивно развивающегося социалистического' общества. Сформулированы стратегия и методология решения поставленной народнохозяйственной проблемы - СОЗДАНИЕ СИСТЕМЫ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ..

В первой главе излагается результата общетеоретических исследований ЛУД, содержащие:

а) формулировку научной гипотезы, доказательству которой посвящена данная работа; ..

б) кроткий обзор конструкций электромагнитных двигателей - предшественников ЛУД;

в) выбор прототипа и описание базовой конструкции ЛУД;

г).количественную оценку характеристик базового ЛУД, его анало-. гоб и прототипа;

д) анализ взгишэго расположения центров масс основных частей (макротоков и микротоков) релейных и управляших электромагнитных двигателей;

е) принцип смещения центров масс, теоремы существовавши ЛУД и их следствия;

х) теоретические обобщения выполненных исследований..

Научная гипотеза работа - предполагалось возможным и целе-, сообразным создание линейного электромагнитного двигателя с од-

ной намагничивающей катушкой, подвижная часть (якорь) которого, под действием изменяющегося тока, способна перемещаться по соответствующему закону или занимать в пределах рабочего хода теоретически бесконечное число устойчивых равновесных положений, в результате обеспечения баланса между электромагнитными и прота-водействупцими силами, в ряде случаев, выгодно отличающегося по набору характеристик и показателей - функциональных, технических, технологических, экономических - от своего прототипа (электромагнитного пропорционального управляющего элемента) и аналогов (линейных электродвигателей - ЛД, вращающихся электродвигателей с передачей, гидравлических и пневматических цилиндров).

При этом следует отметить: ДУД получил свое имя от названия прототипа - электромагнитного пропорционального управляющего элемента (ЗПУЭ) и, в отличие от ряда других типов линейных двигателей, не имеет аналога среда вравдшщ/псся электрических машин.

Предшественниками.ЛУД считаем: а) электромагнитный механизм; б) линейный электродвигатель - шаговый, асинхронный, электромагнитный - электротехнические «налоги ЛУД; в) электромагнитный пропорциональный управляющий элемент - прототип ЛУД.

. Базовая конструкция ЛУД (а.с. .17743132) ¿одержит (ри-з.1): магнитопровод статора I, катушку 2, якорь 3, направляющие 4, немагнитную крышку 5, возвратную пружину 6. Ход якоря базового ДУД составляет около 40% от длины его корпуса, а ток трогания пря номинальной нагрузке - около 40Ж от его номинальной величины. Основные модификации ЛУД: а - тандем (а.с. ЙВ38938); б - с тормозной катушкой (а.с. .В888291); в - с большим ходом якоря (а.с. £989695); г - с профилированной (секционированной) катушкой (а.с. .81390730); д - с противоврацением якоря (а.с. £860229);

е - с горизонтальным якорем (а.с. $/12907); ж - с линейной магнитной системой (а.с. .>£744862).

Принципиальное отличие электромеханических характеристик электромагнитного механизма (ЭМ) и ЛУД состоит в том, что первый, в совокупности с нагрузкой (индекс ':нагр"), представляет статически неустойчивую систему -

( ар / ах )

нвгр

< <* / « >эм >

а второй - устойчивую:

( ар / <к ) < ( ар / ах )

луд 4 'кагр

где х - координата положения якоря, причем <»/«>,„ > ( / ах )луд .

(1-1)

(1-2) (1-3)

__4

рис.1-1

Сравнительный количественный анализ перспективных ДЦ по 24 показателям (асинхронных - ЛАД, шаговых - ЛШД, электромагнитных - ЛЭД), например, применительно к условиям сельскохозяйственного производствадал возможность обнаружить, что оптимальная укомплектованность части линейных рабочих машин линейными электродвигателями должна отвечать приблизительно следущему процентному составу: Л&Д - НЖ, ЛПЩ - 14Й, ЛЭД - 26%, ЛУД - 45%.

Сравнительная количественная оценка характеристик базового ЛУД и его прототлпз (ЭПУЭ), проведенная по 16 параметрам, во всех случаях дала основания отдать предпочтение ЛУД.

Тщательное изучение первопричин получения электромеханических характеристик ЛУД (1-1...1-3) показало: если центры масс якорей ЭМ и ЛУД зафиксировать, то центры масс магнигопровода статора и катушки ЛУД, по сравнению с аналогичными центрами масс ЭМ, как бы меняются местами; при этом можно указать также на разницу в расположении центров масс осевых сечений частей могнигопровода статора и катушки для ЭМ и ЛУД в радиальном направлении. Таким образом, налицо 1гринцип смещения центров масс макротоков и микротоков в осевом и радиальном направлении для ЛУД относительно ЗК. Подобные исследования и экспериментальные проверки обнаруженных закономерностей завершились формулированием теорем существования ЛУД.

I теорема (необходимости) существования .ЛУД.

Магкитопровод статора ЛУД, изготовленный из однородного материала, формируется таким образом, чтобы центр'его массы был смещен вдоль оси и в сторону, противоположную рабочему ходу якоря, а центр массы радиальной части осевого сечения магнито-проВода статора на стороне неохваченного катушкой торца также однородного якоря должен быть смещен по радиусу и внутрь.

Следствия I теоремы.

1. Основной функциональной связью между индуктивностью на-мапшчивзпцей катушки ЛУД и координатой положения его якоря является: Ь® Х-1.

2. Характеристики основных функций ЛУД и ЭМ на рабочих участках движения якоря в статике обладают свойством графической зеркальности, так же как зеркально меняются местами центры

масс их намагничиваниях катушек и магштгопроводов.

2 теорема (достаточности) существования ДУД.

М.Д.С. ЛУД формируется таким образом, чтобы ее геометрический центр был смещен вдоль оси и в сторону, соответствущуи рабочему ходу якоря, а геометрический центр части осевого сечения катужи на стороне неохваченного ею торца якоря должен быть смещен по радиусу и внутрь.

Следствия 2 теоремы.

1. Начальная, промежуточная и конечная электромагнитные силы ЛУД,, путем профилирования осевого сечения намагничиващей катушки, могут быть сделаны различным образом соотносящимися по величинам.

2. Закон движения якоря ЛУД может повторять закон изменения тока намагничивающей катушки, путем ее секционирования, или находиться с последним в другой зависимости.

Общность I и 2 теорем: а) геометрические центры осевых сечений микротоков (магнитопровод статора) и макротоков (катушка) для радиальных частей ЛУД смещены по радиусам, а именно - в направлении к оси двигателя; б) радиальные части осевого сечения ЛУД, геометрические центры которых для мпкротоков п макротоков смещены по радиусам, располагаются в одной части статора.

Различие I и 2 теорем: а) геометрические центры осевых сечений для гякротоков и макротоков (магнитопровод статора и катушка) смещены вдоль оси ЛУД в противоположные стороны.

ПРИМЕРЫ использования следствий I и 2 теорем существования ЛУД: А. на основании 1 следствия I теоремы имеем сведения о том, кик получить линейную внешшю характеристику ЛУД при неизменной силе нагрузки; Б. на основании 2 следствия I теоремы получаем данные о качественной взаишевязи мегду ■ характеристика:,а:

ъ, ь , Ф , и . У (X) для релейного электромагнитного элемента и ЛУД; В. на основании I следствия 2 теоремы можно выполнить профилирование осевого сечения катушки ЛУД для решения задачи синтеза характеристики статической электромагнитной силы; Г. на основании 2 следствия 2 теоремы можно осуществить синтез динамических характеристик ЛУД, вид которых ыозш корректировать по ходу движении якоря.

Вазнейпимя теоретическая и методологическими .результатами первой главы являются намеченные направления построения линейного электродвигателя нового типа, созданного в соответствии с неизвестными ранее - принципом, теоремами и их следствиями.

.Во второй главе представлены материалы теоретических и экспериментальных исследований систем (гамлы) ЛУД в статике, которые содержат:

а) идеологию построения и результаты проектирования.гаи.м из 25 двигателей - ЛУДГ...25;

б) результата исследования характеристик система ЛУД в статике;

в) решение задачи синтеза ЛУД с секционированной (профилированной) катушкой;

г) методику определения точности позиционирования якоря;

д) теоретические обобщения проведенных исследований.

Идеология построения га:.?.« ЛУД1...25 базируется на следуй <дих положениях: а)'квадратная матрица ткзров двигателей в функции кратного изменения основных разгаров - осевого, радиального и габаритного (осевого п радиального однозрэганно); б) число двигателей в горизонтали, вертикали и диагонали ьзтрявд равно пяти, так как оно соответствует напмзньиеглу количеству точек, то'которому более.вли ад нее уверенно га&го представить какую-либо исследуемую зависиздасть; в) дсстшрует общэпрзитоэ

линейное и аффинное подобие двигателей, однако имеет место и нелинейное подобие (особенно, при определении обмоточных данных); г) для изучения поведения гаммы ЛГД1....25 выбирается три ряда двигателей: горизонтальный - йй I, 2, 3, 4, 5 (аргумент -диаметр якоря ая ); вертикальный - й» I, 6, II, 16, 21 (аргумент - величина полного хода якоря Хр); диагональный - Лй I, 7, 13, 19, 25 (аргумент - кратность изменения габаритного размера - и Хр, одновременно, что обозначено символом к^,); выбранная диагональ гаммы двигателей в дальнейшем считается главной;.д) сквозное исследование и расчет гаммы по всем парс-метрам, Характеристикам, процессам и показателям; е) изучение для базовой конструкции свойств гаммы с целью выбора ряда двигателей, обладаниях наивыгоднейшими технико-акономическими характеристиками; а) сопоставительный количественный и качественный контроль результатов реализации идеологий построения рассматриваемой гаммы я серий вращагщихся двигателей (по проф. Копылову И.П.).

. Наиболее ваякые особенности гакам ЛУД1...25.

1. Характеристики гаммы - геометрические, механические, электрические, магнитные, электромагнитные„ электромеханические и тепловые - построенные в функции основного осевого размера -величина хода якоря Хр или в функции основного диаметрального размера - диаметра якоря йя или одновременно в функции изменения Хр и ая - и.кэт слабо вырагенные экстремумы или не имеют их.

2.- Наилучшими технико-экономическими характеристиками обладают двигатели главней диагонали (диагонального ряда) квадратной матрицы ЛУД1...25, основные размзры Хр и йп которой изыэшштся в кратных и равных соотношениях; в связи с шдогенным, остальные особенности даш только для двигателей этого ряда - ЛУД1, 7, 13,

19, 25.

3. Требованиям геометрического подобия в большей степени отвечают геометрические размеры магнигопровода и в меньшей степени - обмоточные данные намагничивающей катушки.

4. Плотности внутренних источников тепла катушки не соответствуют правилу квадратичной гиперболы.

5. С возрастанием габаритов, процентное содержание массы обмоточного провода по отношению к массе двигателей ряда также растет.

6. С увеличением габаритов ряда ЛУД, компонента сопротивления магнигопровода вихревому току по отношению к сопротивлению катушки тоже увеличивается.

7. Зависимость по п.6 для соответствующих издуктивностей имеет обратный хароактер.

8. Нулевая плотность тока (при 0°С) намагничивании! катушек для двигателей рассматриваемого ряда является величиной примерно постоянной.

9. Отношение выполняемой работа к массе двигателя и потреблявши мощности с увеличением его габаритов возрастает.

10. За время срока службы ЛУД1...25 (ГОСТ 19348-74), стоимость электроэнергии по отношению к стоимости самого малого (ЛУД1) двигателя (оптовые цены ¿984 года) составляют около 40%, а для самого большого (ЛУД25,) двигателя данный показатель находится вблизи всего лишь 1056.

Концепция исследования статики ЛУД: с) необходимость учета особенностей гакмы ЛУД в статике; б) признание 4-х ввдов'и 2-х типов характеристик в статике; в) исключение из раса,игреняя при качественном аналоге •характеристик постоянных составлящих; г) идентификация аргумента для всех харакге-

ристик ( X ); д) целесообразность профилирования осевого сечения • или секционирования катушки; е) обеспечеше линейности внешней характеристики в режиме 31 путем рационального выбора соразмерностей магнигопровода; к) необходимость рассмотрения ЛУД как электрической машины с тремя степенями свободы подвижной части.

Типы характеристик ДУД в статике: А - номинальные (индекс "ном") - соответствует номинальному -току катушки и любому пологгешп) якоря, который медленно перемещается в осевом направлении внешней силой или тормозится ею; Б - гбммошэ (индекс "г") - соответствует номинальному току катушки, конечному положению якоря и отличают двигатели гамш друг от друга;

В - статические (индекс "ст") - соответствует неномшальноэду току катушса и любому положению якоря, который медленно перемещается и торшзктся внешней силой;

Г - рабочие (индекс "V") - соответствуют медленному перемещению нормально нагруженного якоря в пределах рабочего хода.' • Виды характеристик ДУД в статике'.

I - основные - зяшсег^эсги тока, индуктивности и ее производной в функции координаты полоиетш якоря для горахтерястик всех ти. пов;

II - прокзводнне - звпдсшюсти потокоецршмшш, магнитной знер-гии и алект|ю;.агн;1гнэЯ спли прл раскол: X.

Праводеннао шшс характеристгаш ЛУД в статью отвзчаэт условиям однозначности:

- дпекраткзацня знзченкй тогса кстушах для статических характеристик (Кх ступеней);

- согласованна рассматриваешь 2ара.\тер:.сп;;: ЛУД с законом , мнения нагрузки на якоре;.

Зависимости характеристик ЛУД в статике при постоянной, силе нагрузки в функции координаты положения якоря выглядят следующим образом:

номинальные-основные - iHOK^о/?, bHOMsx_1, l^OMsx~2 ; (2-1в) номинальные-производные - «"^„^x-1. ^„^х-1. Рном®х-1 ; (2-16) рабочие-основные - I/^x. Lv=x-1, I*^-2 ; (2-1в)

рабочие-производные - • i'v=x°, w^. . (2-1г)

Для того, чтобы получить при переменной силе нагрузки рабочую-производную характеристику электромагнитной силы любой степени ( у = х? ), не изменяя при этом геометрию магнигопровода и форму осевого сечения намагничивающей катушки, характеристики тока, потокосцепления и магнитной энергии положено изменять следующим образом: lv = х*, X*®, xw; t « I + 0.5 /, * = 0.5/, W = 1 + /. (2-2) Проведен также анализ зависимостей ЛУД в статике:

^ом'Лт' Xv- V^l >• ^M=Lct=V LP= /2(х)'

VW Wct' V ^/stx.R,), ?EOM. PCT, Pv, P^/sfX.K,), Фном- V' V "но«' V

Pcf K' Whom' «CT- V V/lû^^b .

Wer ' (2_3)

Если в общбм случае характеристика электромагнитной силы задана стеганным гкшпгомсм Fy^x11-«^ X11""1+.. .+ап_1х, ' (2-4 ) тогда для остальных зависимостей получаек:

iv = ( cyff*® + a1xn+1 + ... + о^х3 )0-5 , (2-5)

\ = х-1 ( еу^2 + + ... + а^х3 )°-s , . (2-6)

К = сЬхП+1 + + + а^х2 ; (2-7)

при этом, как и прежде, постоянными составляпдши в последних выражениях (2-4...2-7). пренебрегаем, так как наибольший дате-

pec представляет качественный состав этих функций.

Анализ основных реаидав работы ЛУД показывает: ( I. w, р. у )даиг# > ( I, w, р. р )гвн, ; (2-8)

это свидетельствует о том, что двигательный режим ЛУД является более энергонасыщенным, чем генераторный, о потому - предпочтительным при использовании изученной машины.

Необходимость изменения тока катушки по ходу перемещения якоря в базовой конструкции ЛУД, вьггекавдая из приведенных выше уравнений, возникает: а)- если заранее неизвестен характер вариаций силы нагрузки; б) когда якорь должен строго следовать установленному графику двизения. В случае невыполнения хотя бы одного из указанных условий, можно использовать найденное аналитическое решение'задачи синтеза в статике для характеристики электромагнитной силы ЛУД с секционированной (профилированной) катушкой. Исследование подученных уравнений дает возможность сделать закмгаення:

1 - секционирование катушки ЛУД с подачей в. секции токов разной величина (или даже направления) адекватно ее профилированию;

2 - число секций иди слоаность профиля осевого сечения катушки находятся в прямой зависимости с точностью воспроизведения заданной характеристики электромагнитной силы в статике;

3 - коэффициенты аппрокскмиругщего характеристику электромагнитной силы уравнения пропорциональны квадратам токов секций наиаг-шчнвахщрй катуики двигателя;

'4 - существует и аналитически определено минимальное число секций катушки, при котором аппроксимация силы то ходу якоря осуществляется с заданной погрешностьв.

Вопрос о точности позиционирования якоря в статике иагеэт и другЕе аспекты рассмотрения, ез которых наиболее'вагшмя яв-

дяхтгся следующие два:

а) ЛУД следует рассматривать как электромагнитную машину с тремя степенями свободы (осевая, радиальная и вращательная);

б) необходимо учитывать разницу наклонов характеристик действующи и противодействующих' сил.

Первая задача решается аналитически, если известна вводимая величина тока трения, численно равного полуразиасти токов катушки ЛУД с вертикальным.расположением оси при подъеме и опускании груза, вес которого равен рабочей силе нагрузки.

Вгорэя задача решается на основе использования соотношения для погрешности позиционирования в статике:

*V= 1 1 + 1 1 (2~9)

Главный теоретический результат второй главы состоит в разработке концепции исследования статики ЛУД, благодаря чему обно--руаекы принципиально ноЕые функциональные и технические возможности электрических машин возвратно-поступательного движения.

. В третьей, главе' излагается результаты исследования данамжи системы ЛУД, содерзз^зиэ которой дается по следуззцему плану:

а) изучение пара'.етров контуров Еотрэвэго тока, индуктивности . явнгешя п взагс.зюй индуктивности в систекз двигателей;

б) исследование дандаяческих характеристик raie.n ЛУД прл дотер- . минированном изкгвднип тока;

в) количественная оценка соотношений кззду характеристикам шакгроизганических переходных процессов для изученной гагли з функции основополагажцах факторов; .

г) теоретическое обоб^ние результатов исследований атастрсгэ-хакпчйсют пэрэгодке процэссов з систсг'э двигателей.

При пзучегсп паршзтров контуров важрзвого тона ЛУД тля-

няты следущпе допущения:

- график динамического тока катушки можно аппроксимировать участком синусоиды, а потому рассматриваемую задачу о распределении вихревого тока - свести к случаю проникновения внутрь цельного магшггопровода цилиндрической (плоской) электромагнитной волны;

- используя геометрические представления о центре массы плоской фигуры и зная аналитические закономерности распределения по сечению магнитопроводв монотонно возрастапцэго, знакопеременного по приращению или монотонно убывапцего тока катушки, можно нейти соответствувдие координаты эквивалентных сосредоточенных вихревых токов (СВТ); - ЛУД можно рассматривать как эквивалентный трансформатор, находящийся в режиме короткого замыкания с коэффициентом электромагнитной связи между катушкой л контурами вихревого тока не зависящим от положения якоря; - результирующее электрическое сопротивление контуров вихревого тока находится

в соответствии с параллельной схемой замещения, а результирующее магнитное - в соответствии с последовательной схемой.

'Наиболее важные результаты исследования параметров контуров вихревого тока:

4. сопротивление контуров вихревого тока -

гв (<!„,)> г8 ( Хр, ). г' ( Хр, ) < г^ ( ) < 0; (3-1) Б. индуктивность контуров вихревого тока -

^ < ' > > \ < Хр* У ООП8^ К < > > '(3-2)

В. взаимная индуктивность катушки и контуров вихревого тока -

Г. найденный экспериментальным путем коэффициент электромагнитной связи ЛУД - Кс = 0.20...0.25, К^ 0.05; относительная координата СВТ для.всех графиков тока катушки находится в пределах - ( хсвт = О.64...0.67;

Д. приведенные к току катушки величины -

R гкат + ^ Я® гв. Ь = ^вт + ^ N2 V М = Кс N К' (3-4)

Е. производные относительных значений параметров СВГ -I ( Xj, ) ] ' > о, [ ( Кр ) ] '< 0.

(3-5)

Полная, индуктивность Ь^ имеет еще одну составляющую -

= * Ькет < Х ) [ í ( X ) 1

-1

(3-6)

которая возникает при движении якоря (индуктивность движения).

Для начального (индекс "н") и конечного (индекс "к") положений якоря ЛУД предельных габаритов квадратной матрицу -

( Ьдв rain 'и ( ^К8Т min ^в * ^ "^прив min * ^ "min 'н'

^ max ^в ^ ^ ^"кат max ^н ^ ( ^прив max ^н ^ ^ "max ^н*

^ ^хв min ^ ^ -^кат min ^к ^ ^ "Чгрив min ^к ^ ^ "min ^к*

( Ьда max 'к > ( ^кат max > ( ^прив max 'к > ( "max <3_7)

Сопоставление индуктивносгей движения для двигательного динамического (дд) и тормозного динамического (тд) режимов дает' результата:

< ь«вт )

so -

30 -

lo -

%

50 -

. Ч \ 30 -

lo -

f ЬДВ )

Ж _

50 -30 -10 -

( И )

--» д

50 -

30 -

10 -

Рис. 3-1. Диапазоны процентного выражения индуктивноотей ЛУД в системе двигателей для различных положений якоря; пунктиром даны средние значения.

Н'ДД! к'дц 'дл н'тд1'

к^дд к)тд|« |(Ьдв к^тд

|<|(Ьдан)тд|. (3-8)

Знаки Э.Д.С., соответствующих им ивдуктивностей, их.производных и дифференциалов получаются такими:

-еквт=^вт(Х>^квг/^'"кат*3 => екат>°- <"нат<° => е«ат<°: ■Чсат (Х)5*00113^(>0)» (Х^оопз/Ь (<0); -еда=Ьда(Х) (Й1кат^); <^„>0 => еда>0, (^„<0 '=> едв<0; Ьда(х)={кэт(<и^т/<ин0т): а> Шкат >. ^Чсат ( X ) > 0 ( ах < 0 ) => Ъда ( X ) > о,

б) шквт < о, <лквт ( х ) < й ( ах > о ) => ъда ( X ) > о. в> а1квт > ЯЧсет ( х ) <!р (' ах > о )• => Ьда ( X ) < о,

Г> <"яат'< ^ат < Х >-> 0 '(.« < 0 ) =*>'Ьда ( X ) < 0; _ев=Ьприв {Х) (Шкат/Й1>: Шкат>° => ев>°'

Й{к8т<° =>ев<0.Л1рив:х)=оопз1(>0), 1^ЗИВ',Х)=0. .(3-9)

Таким образом, знак Э.1Д. С. движения ЛУД противоположен зна-. ку приращения индуктивности катушки, а знак индуктивности движения определяется произведением знаков приращения тока катушки и приращения индуктивности катушки.

Найденные количественные характеристики результирующих ивдуктивностей для двигательного и тормозного динамических рэ-жимэв в системе ЛУД позволяет дать следующую оценку:

• > )>°: ЪяКл «г ^тд«1** >>

(^К >тд «г » >тд (Хр* 4

Аналогично последним, получены неравенства для потокосцеп-ления, магнитной анергии и электромагнитной силы в системе ЛУД, . а также проанализированы всевозможные.соотношения для всех по-

стоящих времени электромагнитных и электромеханйческих переходных процессов, протекапцих в двигателях.

Пренебрегая постоянными составляпчйми исследованных зависимостей, для абсолютных значений функций найдем:

< *р» > > /».Г.Ф.У^я«)' " ¿а.иш^я*)'

/"».Т.»,»..«») > Аг, Г. *<"*>• Ашх^ < Л.пи<Н*>- (3-10)

где I,, и, - характеристики температурного индекса пзодяцин и кратности движущейся массы. Для производных (3-10) -имеем:

/у(и»)=0, /у(1*)>0; /^Хр«»0- /г^п«»0' /Иц*)=0- /р(1.)>0: /¿«р.Г0' /у^я.^'/у^Х0' /а(Хр,)<0, /з(<1я,)»0,

/>*><0' /а^1»»0: Ашх<*р*><°'. Дпп^я*)*0' Апя^ХО.

где V, а, ъпп - обозначения скорости, ускорения и времени алектро-' механического переходного процесса при релейном рзгсшз работа ЛУД. Часть исследований динамических процессов в системе двигателей проведена при детерминированном изменении тока в двигательном и тормозном режимах на основании выражений:

Х^М.' (X)] I1, 1«=аКаХа"1. ^тацР-т^).

^=0.5Ь(Х)(КаХа-1ав)2. ?а=0-5[ (^вт.(ХН1^ав)аЗаХог1(КаХа-1£в:))+

<вт(Х)(^-1№)21 , ь(х)=\вт(х)+ьприв.

где « - функция величины нагрузки и режима работы; в частности,. « < I соответствует двигателному режиму работа ЛУД, а а > I -тормозному режиму.

Следует отметить, что подученные качественные характеристики динамических процессов- в систем ЛУД 1Ё теряет своей общности при различных значениях а.

Если движущаяся масса сохраняется постоянной, тогда:

а) Р

б) р в) Р,

3 Х° .=> V е 1п X, а 3 X 3 х"1 => V ^ х, а в Х°; 5 X => У 3 X3, а = Xй.

ногр

(3-И)

Теоретическое обобщение результатов исследования электромеханических режимов позволяет сделать вывод о том, что 'идея детерминирования ?.идв главных динамичекских характеристик двигателя дала возможность выявить количественные свойства магнитной систеш, в особенности, контуров вихревого тока, на основании чего удалось установить закономерности изменения переходных процессов для гаммы ДУД в связи со всеми важнейшими параметрами.

В четвертой главе представлены материалы систематического изучения тепловых процессов, анергопреобразова-ния и нелинейного подобия исследуемых двигателей, содержащие:

а) оригинальный метод расчета и результаты исследования процес-

/

сов нагрева и охлаждения системы электродвигателей;

б) итоги изучения функциональных зависимостей электромагнитного и электромеханического к.п.д. от габаритов нефорсированного и форсированного двигателей в системе ЛУД;

в) изложение важнейших положений разработанной теории нелинейного подобия ЛУД;

г) теоретическое обобщение основных научно-практических результатов главы.

Уравнения нагреве и охлаждения можно представить аналити-. чески, если решены следующие задачи:

I) для конкретной модификации ЛУД, с учетом примененных материалов и технологии изготовления, определен коэффициент теплоотдачи при любой температуре: ат=ато+Рт), (4-1) где ато - нулевой (при 0°с) коэффициент теплоотдачи катушки

ЛУД, выражающийся - «тсг/С^щ/^), . (4-2)

/?т - температурный коэффициент теплоотдачи, равный:

13т - (0.041...0.043) Вт м"2К"2, г - разность мужду средней температурой катушки и температурой окружающего воздуха, ( У^, / вк ) - отношение объема проводникового материала к величине поверхности, названное тепловым габаритом катушки;

2) для конкретной модификации ЛУД, с учетом примененных мате- • риалов и технологии изготовления, определена плотность тока

при любой температуре: .г=.10[1+а(т+1;° )]-1, (4-3)

где а - температурный коэффициент сопротивления катушки,

30 - нулевая (при 0°С) плотность тока катушки ЛУД, выражахщаяся -

Ч> = * < % /-V'>! " ' (4-4)

3)-для конкретной модификации ЛУД, с учетом примененных материалов и технологии изготовления, определена средняя разность мзжду температурами внутри и на поверхности катушки:

бг = ? ( Тщз / Бк, г + ); . (4-5)

которая для наиболее неблагоприятного случая и стандартной ок- ' ружащеи .температуре может быть охарактеризована:

■ ¿г = гтт, гт = (0.27...0.29); (4-6)'

- назван коэффициентом распределения температуры по сечению катушки, отражающим количественные свойства ее теплопроводности. Для выбранного ряда ЛУД (I, 7, 13, 19, 25) проведен анализ одно-1.®рной и двумерной математических моделей (по Пуассону) при теплопередаче, позволивший осуществить контроль установленных зави- ■ симостей (4-5, 4-6).

Тогда интеграл времени нагрева -=3.43 10_6 (Тт_/5„)^ (СПГ^Ь)(ст3+($га+ег+/)_1Йг, (4-7)

а ГГр л

(а,...", /)<(«, рт, гг. ▼пр/Зк. -И». (4-в>

где ТИ - температурный ивдекс изоляций двигателя.

Интеграл времени охлаждения -Г0=3.43 Ю-6(Упр/Вк))_11 +Рт(Г+^кр))-1т-1(1Г> (4-9) в отношение соответствующих постоянных времени (4 7, 4-9) -

Тв т;1 < I. (4-10)

Аналогично, решены дифференциальные уравнения для более сложных случаев тепловых процессов - с учетом температурных зависимостей теплоемкостей обмоточного провода и магштшпрово--да. Поставлена и решена задача о комшексном влиянии основных климатических факторов 'внешней среды на характеристики нагрева и охлаждения ЛУД; при атом по отношению к температуре окружающего воздуз^ определены коэффициенты весомости его скорости движения и относительной влажности, а также 'атмосферного' давления.

.Выполнено изучение процессов энергопреобразования и, в частности, электромагнитного к.п.д. (по проф. Ряшенцеву Н.П.) . для,системы нефорсированных и.форсированных (параллельно-пос-¡ледовательным .переключением двухсекционных катушек) ЛУД, принесшее следующие результаты:

а) начальные и конечные индуктивности во всех использованных формулах для релейного электромагнитного элемента и ЛУД меняются местами в связи с -обнаруженным у них свойством зеркальности;

б) с энергетической точки зрения, преобразовать анергии наиболее выгодно при постоянном потокосцеплении и относительно невыгодно - при неизменном токе, а к.п.д: при неизменной анергии -

0.5 ( г)г+ т}1), . (4-11)

= 0.5 ( + т^, ), (4-12)

где г), относится к форсированным ЛУД;

в> с Хр ) > о. ( <*„ ) < о; (4-13)

г> ( >* (Л > < ( йЯ > > (4-14)

< Кг ) > 0. ( )»• ( Кр ) < 0; • (4-15)

е) наиболее соответствует статическому двигательному, -динамическому двигательному,,а,^ - генераторному режиму ЛУД; я) к.п.д. возрастает при увеличении участка движения, а также по мере приближения равного по величине участка движения к начальному положении якоря. ...

Разработана теория нелинейного подобия электромагнитных машин, использование аппарата которой применительно к ЛУД дает возможность относительно" оптимально сбалансировать противоречивые соотношения подобия между геометрическими размерами и нагрузками активных материалов с выполняемой работой и возникающими при этом потерями.

Главными условиями нелинейного подобия является: в.- м, = (1°кр), = «,= РШ= Р^ = К°, (4-16)

а характерные величины при этом выражается:

и,= Xе. ( Кз 'кв:)# <хтШ= К*. (4-17)

Вели, главные геометрические размеры подобных двигателей заданы соотношениями - х^ <1~1=2; ^ =к, хк0то^т=к?:, ш=сквта~1,. ^«С ■ЛатЧ.ш 2=<1ЙП К, Хр=(1-1а,)(^-<1я). . (4-18)

получим дополнительные (производные) характерные величины -' площадь окна магнигопровода, площадь поперечного сечения маг-штгопровода и суммарную площадь поперечнбго сечения провода

катушки - Б^к14. Б^к2, Опр,^4"1. (4-19)

где к^ - коэффициент непропорционального изменения единственного из главных геометрических размеров .

Множители преобразования средних линий ЛУД' - тепловой, электрической и магштгаой - ^(шЛпККю)"1, ге„=(к^пн-

-1, гА|#=[К?нн-К(п+(1-1к,))] (т+п+а-!^))"1, (4-20) где Копт -коэффициент определяемый конструктивными соображе-

ниямк (находится вблизи 1.4).

Дополнительные (производные) множители преобразовании -тока, сопротивления и числа витков кэтушки приобретают вид -

рм-т,-вЙк2*"*, (4-21)

где Бк - площадь поверхности катушки.

Приравнивая .множители преобразования для площадей поперечных сечений проводов катушек, имеющих различные выражения, найдем квадратное уравнение - к2сАа + к£Гва + са = 0, (4-22) коэффициенты которого равняются: Аа=т2(пй-п)-т К К^+к(т+п+ +(1-1н,))2, Ва=2шК(п+(1-1н#))(пн-п)^пК2к^'"£(пн-п+(1-1н»))2, . Са=К2(п+(1-Хн<[))2(пн-п). (4-23) Для других вариантов геометрических размеров ДУД получены выражения коэффициентов: Ав...Аг, Вв.'..Вг, СД...СГ.

Решение (4-22) осложняется в связи с неопределенностью сомножителя (4-23), но осуществляется по методике автора -. путем задания нескольких значений к?(4-22), а также установления опосредованных сачзей между к^ и

Эту же .задачу можно решить методом итераций,, задавшись на первом шаге значением -

Одновременно установлены соотношении нелинейного подобия: •г; = Р* = ^о«' = (4-24)

^♦^^нагр)^»^*^

Р,=К*Зк,=К%,г£„ (^/З^^^Ч^- (4-25)

Множители преобразования скорости, ускорения, времен электромагнитного и электромеханического переходных процессов принимают выражения: У^кх^"5®*0' 5 , а^Крт^1, ^^(.^б'^К2",

Чм* = К_1 ш°-5 X?-5. • (4-26)

Множитель преобразования индуктивности движения -

ъда» = к2— г^ г'* . (4-27).

Сформированный критерий подобия ЛУД выражается следующим образом - (ЛУД)^ =

-К1""^'^ Л Ч и 5К0.5С Й-« 7О.Э -0.3 -0.5,-0.5 -0.5 -о. 5_

=1с1ет=К0. (4-28).

Наконец, обнаружены следующие принципиальные закономерности в системе двигателей: 1^,(К)>1, г^(к)>0; 1^„(к)>0;

гГ,(к)>1/г^(Ю>о; ве»(к)>1, з^(к)>о: 0^00*1. о^(х)>о;

у„(к)«1, Т^(К)=Ю; ^(ЮМ, 4Э'М#(К)>0; Х,(К)>1, х*(к)>0; тя«(Ю>1, т^(К)>0; ДТ^,/^)*»)^; 3^(К)>1,

5^(К)>0; (й^) ' (К)>0; (К^)'(К)>0: К*(К)<1,

(к*мк.)<0; к^хы, (к^)'(к)=о; ^,(К)<1. ^»(кхо: р,(к)>1,. Р^Ю^О; Л2>(Ю>1. л^(к)>0; ¿^„(к)^:.

з^(?.)>0; л$(К)>1, а*(К)>0; ^(Ю^Я, ^(кгчо; гнвТ,(к)<1, гквт*(К)><0^ г^ад^О; 3К,(Ю>1, 5^(К)>0; У^(К)>1,

У^»(К)>0; 7^,00*1; У^ЮХЗ; 1;3,(К)*1. ^,(к)>0; а„(х)<1, а^(К)<0; (У^/У^)#(К)>1, (Упр/У^)«(К)>0. (4-29)

■ Полученные выражения нелинейного подобия сопровождаются формулами погрешностей вычисления характерных величин-и множителей преобразования. .

Результата созданной теории рассматриваются не столько как средство для пересчета параметров и характеристик ЛУД - оригинала по известным данным соответствующей испытанной модели, но, в первую очередь, как аппарат наглядного аналитического исследования системы ЛУД в целях выявления тенденций'изменения (4-29) всех . характерных величин, множителей преобразования и их комплексов, целенаправленного синтеза заданных техническими условиями зависимостей и решения оптимизационных технико-зко'номических задач. Теоретическое обобщение' результатов исследований четвер-

трй главы дает основание резюмировать, что с созданием аналитического метода расчета тепловых процессов, рассмотрением закономерностей энэргопреобразования в системе ЛУД и раскрытием, применительно к изучаемым вопросам, общих установок теории нелинейного подобия практически исчерпывается перечень фундаментальных задач по выявлению внутренних причинно-следственных связей, присущих любой электрической машине, которая затем становится подготовленной к анализу ее новых качеств, определяющих меру внешних связей с потенциальными объектами взаимодействия.

В пятой главе ЛУД рассматриваются-как элементы систем автоматического управления (САУ) и электропривода, вследствие чего дальнейшее изучение двигателей проведено по такому плану:

. а) всестороннее изучение системы линеаризованных;ЛУД методами теории автоматического управления;

б) совместное решение и анализ систем уравнений, огшсызащих ЛУД как элемент электропривода;

в) теоре|Тическое обобщение основных результатов исследований реферируемой главы.■

Вид внешней характеристики ЛУД указывает на то, что он-по отношении к САУ является нелинейным элементом с нзчувстгаггель-ностью, который при начальном подмэгничивании превращается в линеаризованное звено второго порядка - "колебательное или апериодическое ~ и имеет комплекс присущих только системе рассматриваемых электродвигателей отличительных особенностей. При этом была поставлена задача выявления основных параметров и характеристик скстеьы ЛУД как элементов САУ при следующих условиях: 1) переменных характеристиках габаритных размеров; 2) изменении ьгассы двтаущЕгсся частей; 3) различных температурных индексах.

изоляции; 4) введении резистора б цепь катушки (без изменения тока в статике); 5) возрастании и убывании тока двигателя; 6) любой величине перемещения якоря в пределах рабочего хода.

Принятые допущения (определяется требованиями свободного движения звена): статическая нагрузка, пружина, силы трения и демпфирования отсутствует, а положение оси-двигателя --горизонтальное; питание катушки осуществляется прямоугольным импульсом напряжения - возрастающим или ниспадающим, режим рабо- ■ ты .ПУД - двигательный; усилитель на входе ЛУД имеет высокоомный • выход и, таким образом, не влияет на порядок характеристического уравнения САУ; органически входящей в конструкцию ЛУД емкостный датчик цслозения якоря - с линейной характеристикой и постоянной составляющей - можно считать звеном безынерционным, так как ссютветствующие постоянные времени несоизмеримы (102... 103 раз) по величинам.

Параметрами-ЛУД как элементов ОДУ являются: жесткость характеристики электромагнитной силы при номинальном токе, постоянная времени колебательного процесса, постоянная времени апе- ' риодичесйого процесса к коэффициент усиления -сг = \ = 2тт (они,)0-5 сР;0-3,

= ь н» + ^ к* - = *р " 1н>""1 • ^

... Изучение качественного содержания (5-1) дало возможность сформировать комплексный параметр - показатель эффективности использования ЛУД как силового элемента САУ:

го = «V к, тк V1. . . <5~2>'

количественное исследование которого для системы двигателей об-нарузшю: ПЭ(ая») > ПЭ(КГ) > ГО^);

ШЭ)'(<1Я,) > 0 > (ГО)'«,.) > (ПЭ)'(Хр,); (5-3)

то есть дли выбранного диагонального ряда ЛУД более эффективен .

в использовании как элемент автоматики.

Разница емкостей датчика для крайних положений якоря определяется выражением: ср = с0 п Хр &я Д 1, (5-4) где Л - воздушный зазор между "обкладками" датчика.

Качественная оценка САУ с ДУД, содержащим такой-датчик': А. по структуре главной цепи - замкнутая с кнешней обратной связью; Б. по режиму автоматического управления - программное, стабилизации или управления; В. по. линейности - линеаризованная; Г. по характеру отработки рассогласования -.непрерывная или прерывистая отработка сигнала;, Д. по сложности структуры - простая одноконтурная; Е. по характеру ошибки - с ошибкой по положению якоря в статике и динамике, если скорость (ускорение) изменения тока в катушке двигателя не превышает максимально возможной скорости (ускорения) якоря при данном токе, положении якоря, нагрузке и перемещаемой массе; в противоположном случае, в динамике будет иметь место ошибка по скорости (ускорению) якоря; К. по принципу действия - статическая; характеристическое уравнение при принятых допущениях имеет второй порядок; 3. по физической сущности - электрическая с электронными усилителями; И. по мощности исполнительной части - не имеет существенных ог-. раничений.

Исследования параметров системы ЛУД дали результаты:

<<»я.ТК<*р*>'• ^«У*) > К> > ^«V) ~ '

* га(йя*>: > та(хр*> > ®а(<1в*) >

ку(Хр#) > к^) > к^<Хр») >о > к^к/, > к^(<1я#). (5-5)

Установлены соотношения между постоянными времени -

®а«г> > фк(кг> > > ^(¿р<1) > 0; ^(Хр,) >

Та(Хрв) > <(Хр4) « О. (5-6)

Исследованы годографы корней характеристического уравнения в системе ЛУД: ГК = / (М„, I,, в*, X,,. кг), (5-7)

а такзе при возрастании и-убывании тока катушки; например, при м, = I, = I, И, = 1,.х, = I я возрастанием токе (нормированные условия), зависимость (5-7) начинается вблизи оси мнимых и заканчивается на оси вещественных/ проходя симметрично два квадранта и охватывая начало координат. Аналогичным образом (5-7) исследованы годографы передаточной функции (ГП) систем двигателей при наличии обратной связи (датчик положения якоря) и амплитудно-фазовой характеристики (ГА). Все они различным образом располагаются на комплексной плоскости, но при ' этом даст зоны соответствия друг по отношению к другу, а также по отношению к ретаф работы звена - колебательному или аперио- . днческому-. Характеристики успокоения при .нормированных условиях ' показали: ге^^СХ^^а ,); «'(Кг)>:г'(Хрф)>5:'(<1я,)>0, (5-8) •причем, с шзрвстонием габврггтав.двигателя наблюдается тенденция перехода от колебательного решила к апериодическому.

Декремент затухания прп нормированных условиях -О ^-(^^^(Хр,)^^); 0'>о^(ая,)>о^(Хр,)>«э(К1Т.). . . (5-9)

-Частота колебаний якоря « п собственная частота о0 прл нормированных условиях- «0 (Хрф )>« (Хр„ )>»0 (с1л4)~»(<1й1!.); ^(х^ )>о' (хр? )> >0, «^(йя,)«а'(ая11)<о; о0(кг)>о(я1.); и^М**"0' «'п^КО. (5-Ю)

Исследованы коэффициенты ошибок по положению, скорости и ускорению якоря, допЪие прп норглфовашшх условиях следующие результаты: 30 )>50 (Г^ )>80 (Хр,, )г"сопз1;. (50)' (ая, )> (БО) ' (Ку )> (30)' (Хрз )«0; 51 (1^ )>Б1 (Хр, )>31 ((!„„); (В1) ' (Ку ) >(51)'(лр,)>0>(В1)'(<1л.>); Б?ЛКГ)>Б2(Хре)>Б2(с1я,);

(В2)'аТг)ХВ2)'(Хрв)«(&2)'Ц1!.)^. " . . (й-П)

ОтисЕзтэ средней скорости к озпбке по скорости (доброт-

ность) в системе ЛУД при тех же условиях -

Ьу(<1я»)>Юч(Хр,)^(Кг); ^(КрХв^Хр^ХВ^^ХО. (5-12)

•Исследования амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик при прежних условиях приводят к выводам:

АЧХ(ая,)<АЧХ(хр,); (ачх) '(Хр#»(ачх)')>о; 0>фчх(хр4[)>

>ФЧХ(йп,); (ФЧХ)'<Х^)>(ФЧХ)'(<1Я,)=0. (5-13)

Наконец, для нормированных условий имеем соотношения: при начальных амплитудах - (1^X0, А^(Кг)>0; (5-14)

при начальных фазах - рн(Кг)=-п/2, ^(Кг)=0; (5-15)

коэффициент усиления замкнутого обратной связью (датчиком положения якоря) ЛУД .- .К^СКрХКуО^), ОЖ^^СК,,»^^). (5-16)

Тщательный анализ обнаруженных зависимостей при нормированных условиях позволяет сделать сладущие выводы.

1.-.ЛУД наиболее целесообразно использовать как силовой элемент САУ, если на первом плане находятся следулцие требования ТЗ:

а) жесткость характеристики электромагнитной силы ( ср );

б) ошибка по положению якоря ( 30 ); в) перерегулирование

( АЧХ, А^ ); г) запаздывание по фазе ( ФЧХ, Ра); д) колебательность ( «, «0, тк ); е) степень успокоения ( ж ); к) динамический коэффициент усиления ( Кд ).

2. ЛУД наиболее целесообразно использовать как элемент автоматики, если на первом плане находятся требования: з) статические коэффициенты усиления разомкнутой (Ку)и замкнутой (КдОМ) САУ; и) ошибки по скорости ( 51, ) и ускоренно ( Б2 ).

3.'Так как тк >. 0 и > 0, ЛУД является (по Гурвицу) абсолютно устойчивым звеном.

4. При возрастании габаритов ЛУД режим работы соответствухщего звена САУ переходит от колебательного к апериодическому. •

5. Аналогичные исследования выполнены и получены важные резуль-

тэта для рассматриваемой системы двигателей при ненормированных условиях работы.

Решена задача о работе ЛУД как элемента электропривода, в частности, на циклическую нагрузку; при этом петля цикла содержит последовательно расположенные точки (якорь перемещается

вперед-назад): Н1=В1, В2,...,В(К-1), ВК=НК, Н(К-1)......Н2, Н1-

=В1,..., причем,. В2'*Н2,...,В(К-1)'*Н(К-1).

Система уравнений статических электромагнитных сил для к значений тока катушки -

...,=ьо1...К^+Ч 1.. +• • •+ьп1 .:. к (5-17)

система уравнений статических сил нагрузки -

система уравнений для совместной работа ЛУД и нагрузки -_к(В1...ВК)=(?нёгр)в(В1...ВК),

система уравнений .статической устойчивости электрифицированного' агрегата - г^'. < ,К(В1.. .ВК)<(*нвгр)д (В1.. .ВК), ^_ _ к(НГ...НК)<(Рнагр(Н1...НК); (5-20)

уравнение цикличности нагрузки -

( < Рнагр >в ^нагр >я 1 <Х><« = V . <5-21>

н Наиболее ответственным моментом разработанного' метода является отыскание системы уравнений для статических потокосцеп-лений, соответствущих (5-17.. .5-19) -

Зв.н = «Ьа.'н*4 + «1В.НХ4"1 + - •®чг.н' ' . <5"23) '

В^ :к(В1...ВК) = Зв(В1...ВК),

% __Я(Н1...Ж) = Бн(Н1...НК). (5-24)

При известной"индуктивности ЛУД -Ь = /0 X4 + А*4"'1 +...+ (5-25)

искомая стетема уравнений токов катушки для каждого положения

якоря находится из выражений:

х1 _ .к(Б1...вк) = \ _It(Bi..-вк) if1 (bi.,.bk).

<К(Н1...1М) =1^ _к(Ш,..НК) Ь1 (HI...HK). (5-2S)

Использование приведенных уравнений возможно только при достаточно медленном измэненш! тока (перемещении якоря), когда Э.Д.С. движения можно пренебречь.

Теоретическое обобщение результатов исследований пятой главы приводит к выводам: I - всестороннее изучение разработанной системы ЛУД методами теорш автоматического управления при нормированных условиях дает достаточно полное представление о качественном характере переходных процессов, а такге необходише предпосылки для определения границ оптимальной примегоаюсти рассматриваемых двигателей в видэ силовых элементов или элементов автоматики САУ; 2 - решена в общем виде задача об зксплуатаци- . окном расчете ЛУД в составе электроприводов рабочих оргйнов машин с нерезко изменяющейся в функции вромзни циклической нагрузкой, что позволяет использовать разработанный метод при проектировании большого класса электрггршдированкых агрегатов.

В шест о. й главе, приводятся завершающие' результата исследований систем ЛУД, построенные по следующее плану.: а) представления модификаций ЛУД; б) математический к физический эксперимент с обработкой опытных данных; в) оригинальные ■методы исследования и 'расчета ЛУД; г) дифференцлальные уравнений ЛУД; д) свойства, показатели-к характеристики ЛУД - технические, технологические, функциональные, экономические.

Дано представление основных модификаций ЛУД, которое позволяют расширить функция базовой конструкции к удовлетворить дополнительные требования: А) ЛУД-тандем - повышенная точность .

позиционирования якоря; Б) .ПУД с шариконапэлненным.якорем -увеличение хода подвижной части ; В) ЛУД с тормозной катушкой - интенсивная фиксация якоря; Г) ЛУД с профилированной (секционированной) катушкой - придание внешней характеристике произвольной формы в процессе работы двигателя; Д) ЛУД с разрезанным магниггопроводом статора - уменьшение' силы трения в подшипниках и увеличение быстродействия; Е) ЛУД с конструкцией якоря, предотвращающей самовращение; Ж) ЛУД с линейной-магнитной системой.

На основании' использования данных физического эксперимента решены следующие. задачи: I - анализ проводишстей путей маг. нптного потока по воздуху; 2 - выбор величин допустимой плотности тока в катушках ЛУД;. 3 - определение-по охлаждающему воз- ' действию коэффициентов весомости основных.метеофакторов; 4 -опытная проверка разработанных методов исследования и расчета.

Математическая обработка полученных в работе экспериментальных данных проведена по следующему плану. I. Статистический анализ экспериментальных данных: а) анализ точности измерений (приборов, образцов, зазоров и т.д.); ß) проверка качества измерений; в) проверка основных предпосылок ре- . грессиоккого анализа. II. Построение эмпирической модели: г) гипотеза о виде.модели; д) оценка параметров модели по методу наименьших квадратов для нелинейной зависимости. III. Статистический анализ модели: е) расчет дисперсии предсказания; ж) проверка адекватности- модели (вкспержленталъшм данным); з) построение доверительных интервалов для предсказанных значений.

На основании Использования возможностей математического эксперимента решены задачи: I - анализ магнитных систем гаммы ЛУД; 2 - сопоставление результатов определения параметров кон-

турод вихревого тока в системе ЛУД; 3 - рассмотрение электромеханических переходных процессов двигателей; 4 - изучение особенностей распределения температуры по сечению катушки; 5 - исследование ЛУД как элементов САУ.

Разработанные и использованные методы исследования и расчета: А) мзижтных провэдимостей воздушных 'зазоров по способу относительных еданиц; Б) магнитных прозодшлостей остаточных зазоров; В) эквивалентной емкости; Г) сосредоточенных координат распределенных. такоз и потоков; Д) выбора величины нулевой плотности то;;:;; Е) синтезировании статических характеристик ЛУД; Ж) расчета параметров контура вихревого тока: 3) детерминированных характеристик; И) решения нелинейных уравнений электро-мсхашгческих и тепловых процессов по интервалам времени; К) учета. влияшш не тепловые процессы основных метеофакторов; Л) не-линейногр подсОкд ЛУД; М) ошимизированного выбора размеров и соразмерностей ЛУД посредством зведенного. структурного фактора; Н) расчета ЛУД как элемента электропривода (в статике). •' Дифференциальные уравнения ЛУД:

- напряжений - и=1а+(сИ/<к) (^,вт+1Ъ1р;ш+х.да), (5-1)

- движения - т(а\г/с11 (6-2)

- индуктивности движения - ьда=( (аТл/ах) (<н/<1Х) 1, (6-3)

- электромагнитной силы - Р^-0.5 [ (Ькот(Х)+ьприв)1^(х)(К3дг-

- точности позиционирования якоря -

ах=?трес(!а?/ах|луд+!ар/эх|ивгр)-1, (6-5)

- нагрева (без учета температурных зависимостей тедпоемкостей провода и магнитопровода) -

¿11=3.43 Ю6(Упр/Бк) [ Ькх(гч£°кр)1 (аг3+Ьгг+ст+<1)"1с1г, (6-6)

- охлаждения (без учета температурных зависимостей теплоемкостей

провода и магкитопровода).-

<к=з .43 га6 (Тцр/в^) [ «т (гт-1 >т]м, 16--?)

- теплопроводности - * т--гп«т(зг^/вп). (о-в)

- статической устойчивости - (ар/эх)луд < (з?/ах)11а1,р, '6-5)

- характеристическое ЛУД как звена САУ - '-¿Т^Х . (6-1У) _

Электромеханический режим работы ЛУД зависит' от величины коэффициента (6-4).

Свойства ЛУД в системе двигателей.

1. Нетрадиционное взаимное расположение центров масс основных частей двигателя (макротоков и микротоксв) по радиусу и вдоль оси.

2. Возможность плавного (ступенчатого) реагирования положения

• якоря за счет плавного (ступенчатого) изменения тока в намагничивающей катушке по одинаковому закону.

3. Существенная зависимость вида внешней характеристики двигателя от форма профиля.осевого сечения его намагничивающей катушки.'

4. Отношение начальной электромагнитной силы к конечной может быть сделано меньшим, равным или большим единицы. •• ...

о. Коэффициент электромагнитной связи между витками намагничи- • взщей катуажи и контурами вихревого тока нз зависит от. положения я1соря, а его величина для системы двигателей является примерно постоянной; индуктивность движения в режиме близком к статическому обратно связана с положением якоря и увеличивается с ростом габаритов ЛУД.

6. Наличие четырех типов и двух ввдоз характеристик в статике,

а также необходимость рассмотрения ЛУД как элемента с тремя степе нями свободы.

7. Отставание по фазе основной гармоники пути якоря от тока ка-

тупик при свободном движении не превышает и/г и уменьшается с ■ ростом габаритов ЛУД.

8. Работа ЛУД при неизменном потокосцеплении соответствует статическому двигательному режиму (случай большего электромагнитного к.п.д.); при неизменном токе получается генераторный режим (меньший электромагнитный к.п.д.), а промежуточный режим - когда меняются ток и потокосцешение - динамический двигательный режим.

Э, .ЛУД - абсолютно устойчивое звено второго порядка в САУ, которое с ростом габаритов двигателя превращается из колебательного в апериодическое, в соответствии с чем годографы корней характеристического уравнения начинаются вблизи оси мнимых и заканчиваются на оси вещественных, описывая при атом симметричные кривые вокруг начала координат; .при изменении кратности движущейся массы для системы ЛУД имеем семейство аналогичных годографов, но с направлением вращения соответствующих векторов в противоположные стороны по мэре возрастания массы. 10. Для всех аспектов рассмотрения в системе двигателей, ЛУД . имеет тенденцию к улучшению основных технико-экономических характеристик и показателей работы с ростом габаритных размеров.• . Функциональные возможности ЛУД: . - возвратно-поступательное движение якоря по заданному закону;

- осевые колебания якоря на любом участке хода с регулируемыми ■амплитудой и частотой; • •

- Подход якоря к любой точке пути о заданной скоростью;

- позиционирование якоря в "заданной точке рабочего, хода;

- вращение якоря внешним двигателем;

- возшжность деформирозания характеристики электромагнитной силы заданным образом в процессе движения;

- возможность совместного возвратно-поступательного, колебательного и вращательного видов движения;

- возможность работы в релейном режиме с регулированием величины единичного перемещения' якоря на любом участке движения.

Важнейшие' технические характеристики гаммы ЛУД1...25. А - наружный диаметр: 40...200.мм; Б - осевой габарит при конечном положении якоря: 80...380 мм; В - номинальный ход якоря: 20...ЮО км (для короткоходовых двигателей базовой конструкции); Г - развиваемая полезная сила на якоре о,6.,.205 Н; Д - масса двигателя: 0,36...99.7.кг; Б - потребляемая номинальная мощность при неподвижном якоре: 10...250 Вт; Ж - температурный индекс .120; 3) - процент максимальной погрешности позиционирования якоря:' 5... I; И - ЛУД имеет, встроенный выпрямитель и датчик положения якоря с линейной характеристикой, являющийся органической частью двигателя; К - расчетная надежность в работе составляет: ■ 0,9997; Л - удельная масса-на единицу выполняемой работы: 10...5 кг/Н м; М - потребляемая мощность на единицу работы уменьшается с ростом типоразмера двигателя и составляет: десятки Вт/Н м.

•Технологические особенности двигателей. • ...

а - материалы для изготовления ЛУД - дешевые и недефицигше -обычные для. электрических машин; б - простота и технологичность (осесимметричность) всей конструкции базового ЛУД и его модификаций; в - изготовление, эксплуатация и ремонт ЛУД характеризуются низкой трудоемкостью и не требуют высокой квалификации соотзетствуицего персонала; г - достаточно высокий уровень ремонтопригодности; д - широкие возможности реализации модульных принципов;'

е - схема управления принципиальйо проста за счет широкого спектра функциональных зозшжностей самого двигателя.

. Экономические показатели ЛУД:

I - оптовая цена. (1984 Года) на единицу массы для двигателей всех габаритов определяется единицами рублей на килограмм массы и для. ЛУД больших размеров .снижается до 2 рублей на килограмм;

II - оптовая цена на единицу выполняемой работы, для гаммы ЛУД / .

равна 20...10 рублей на Н м;

III - стоимость израсходованной электроэнергии, например, в сельскохозяйственном производстве, за время службы ЛУД1...25 находится в пределах 0,8...11 рублей (ГОСТ. 19348-74);

IV - отношение стоимости электроэнергии к оптовой цене для ЛУД I...25 в процентах составляет 40...10;

т - стоимости ЛУД и схемы управления соизмеримы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ■ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ. . Основным итогом настоящей работы является разработка и исследование системы линейных многофункциональных электродвигателей нового поколения. Этот итог включает, нижеследующие основные результаты работы. •

1. Выдвинута и доказана гипотеза о возможности'создания конкурентоспособного электродвигателя с линейным перемещением подвижной части (якоря), повторяющим закон изменения тока в намагничивающей катушке, главной отличительной особенностью которого язллется свойство многофункциональности.

2. Вскрыты физические основы построения линейного электродвигателя нового типа (ЛУД), сформулированные в виде двух теорем существования и их следствий, базирующихся на принципе целевого смещения центров масс микротоков (элементов маютгопровода) и макротоков (катушки) по отношению к их традиционному взаимному расположению. Инверсное, по сравнению со всеми предшествуешь® электромеханическими структурами, размещение центров масс мкк-

ротоков статора и макротоков позволило сделать еще один шаг в технической эволюции перехода от ступенчатого перемещения якоря линейной электромагнитной машины к плавному.-3. Создана система ЛУД, в которой реализована идея расширения функциональных 'возможностей электроприводов не столько за счет не всегда оправдывавшего себя в технико-экономическом отношении . совершенствования схемы управления, но, главным образом, путем формирования на новой основе оригинальной геометрии магнитной цепи двигателя, воплощенной в его базовой конструкции и модификациях. При этом осуществлены такие противоречивые функции перемещения якоря ЛУД как плавное движение и позиционирование, совмещение возвратно-поступательного по требуемому графику, и колебательного с регулируемыми амплитудой и частотой движения, под- . ход к лвбой точке пути с заданной скоростью и работа на упор, а ' также некоторые другие.

• 4. Построена продуктивная система физических и математических моделей, давдая возможность выполнить глуг^кие и всесторонние испытания как единичного двигателя, так и системы ЛУД в статике ■ и динамике, на основании чего проведен сопоставительный анализ исследованной системы со "ставшими уже классическими производст-. венными решениями для электрических машин в целом. ■

5. Разработана концепция исследования свойств единичного двигателя и системы ЛУД в статике, комплекс изученных характеристик которого не пмеет аналогов как среди вращаищихся, так и в числе линейных электрических и неэлектрических машин. Намечены пути, регулирования вида характеристик ЛУД в зависимости от изменения нагрузки, которые могут ■быть деформированы целевым .образом в процессе работы двигателя.

6. Изучены свойства системы-ЛУД в динамике с учетом влияния вих-

ревых токов, что выполнено оригинальными методами анализа и расчета, обладающими качествами соответствия рассматриваемому объекту, наглядности и преемственности предыдущего и последующего этапов, исследований. Обнаружен ряд частных закономерностей для параметров и характеристик системы ЛУД в динамике электромеханических процессов.

7. Посредством детального исследования тепловых режимов в системе ЛУД и функционального выражения времени, найдены аналитические решения' дифференциальных уравнений нагрева и охлаждения с учетом температурных зависимостей материалов провода и магнито-провода. Дана линейная аппроксимация уравнения приведения основных метеофакторов к температуре окружающего воздуха, а также количественно определены соответствующие коэффициенты ресомости.

8. .Выполнены-исследования электромагнитного и электромеханического к.п.д. в системе ЛУД, выяснены тенденции-его изменения и • возможные направления увеличения для нефорсированного и форсированного двигателя, а также другие особенности.

9. Создана теория нелинейного 1-еометрического, магнитного, электромеханического и тешйвого подобия в системе ЛУД, а также сформулирован соответствующий критерий. Выявлены тенденции из-• менения характерных, величин и множителей преобразования в сис- • теме двигателей-.

10. Разработан метод анализа и расчета ЛУД как элемента электропривода, позволяющий установить требуемую функцию изменения тока в намагничивающей катушке в зависимости от графика механической нагрузки на якоре. Выполнено исследование системы ЛУД как звеньев САУ, что определяет направление улучшения качества переходных процессов и дает материалы для многофакторного йнали-' за при решении оптимизационной задачи выбора электродвигателя.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ТРУДУ АВТОРА ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработка и исследование линейного.электромагнитного двигателя : Автореф. дис... канд. техн. наук.- Томск,- 1965.

2. Графический метод расчета динамики электромагнитов постоянного тока по интервалам времени // Электричество.- 1966,- Ш.

_, 3. К теории приближенного подобия электромагнитов постоянного тока // Электричество.- 1968.- №12.

4. Расчёт магнитных цепей электромагнитов постоянного тока методом .относительных единиц /■ соавт. 'Л.П.Бычков .// Электричество.- 1970.-.^4.

5. 0 выборе электромагнитов постоянного тока // Электричество.

- 1972.- Л59.

6. 'Расчет тепловых процессов в бескаркасных катушках электромагнитов-постоянного тока // Изв. ВУЗ. Электромеханика.- 1971.-' Ю.

■7.0 магнитной проводимости остаточного зазора // Электричество'.

- 1974.- ЙЭ.

8. Характеристики типовых электромагнитов постоянного тока с прямоходовым якорем : Справочное руководство.- Барнаул, 1974.

9. Табличные материалы по" расчету электромагнитных устройств постоянного, тока : Справочное руководство.- Барнаул, 1974.

10. Расчет проводимости паразитных зазоров соленоидных и броневых магнитных систем. Алтай, политех, ин-т.- 1974. Деп. в Информэнерго, 1974.- 39д.

11. Математическая-обработав результатов экспериментов при исследованы! электромагнитов постоянного.тока // Тр. Алтай, политех. пн-та„ - 1975.- Вып. 42

12. Справочное руководство по расчету электромагнитов постоян-

ного тока : Расчет магнитных цепей.- Барнаул, 1975. ■ '13. Выбор величины магнитной индукции в электромагнитах постоянного тока // Изв. ВУЗ. Энергетика.'- 1976.- УЛ. 14. Электропривод : A.C. СССР / В.Н.Гурницкий /.- £633098; 28.04.77; опубликовано 28.12.79.

Т5..Линейный электродвигатель : A.C. СССР / В.Н.Гурницкий /. -miz907 ; 03.01.78; опубликовано 05.10.79.

16. Вертикальный линейный электродвигатель : A.C. СССР /В.Н.Гурницкий/. - 43132; 14.03.78;. опубликовано 28.02.80.

17. Вертикальный линейный1 электромагнитный двигатель ' : A.C. СССР / В.Н.Гурницкий, Ю.Г.Мещеряков /.- >¿744862; 18.03.77; опубликовано 30.06.80. .

18. О соотношении мекду характеристиками перемещения якоря в электромагнитных элементах с двумя степенями свободы // Изв. ВУЗ. Электромеханика.- 1979.- Ж8.

19. Линейный электромагнитный двигатель .: А..С. СССР / В'.Н.Гур-нящий, Ю.Г.Мещеряков /. - JS936257 ; 31.10.80 ; опубликовано 15.06.82.

20. Линейный электродвигатель : A.C. СССР / В.Н.Гурницкий /. -.Ш38938 ; 07.09.79; опубликовано 13.02.81.

21.- Линейный двигатель .: A.C. СССР / В.Н.Гурницкий /.- J336734; 26.07.79; опубликовано 07.06.81.

22. Линейный электродвигатель : A.C. СССР '/ В.Н.Гурницклй./.-■ JES60229 ; 28.05.79; опубликовано 04.05.81.

23'. Вертикальный лшейшй электромагнитный двигатель : A.C. СССР / В.Н.Гурницкий /. - JS8829I ; 25.12.78 ; опубликовано 07.08.81.

24. Линейный управляющий элехггродвигатель : Экспонат ВДНХ СССР. -1982.

25. Электропривод. : A.C. СССР / В.Н.Гурницкий /.- Й987756 ; 27.07.81; опубликовэно 07.01.83. •

26. Вертикальный линейный -электродвигатель : A.C. СССР

/ В.Н.Гурницкий /.- >5989695; 04.04.81; опубликовано 15.01.83.

27. Исследование подобия динамических процессов в электромагнитах постоянного тока с.-х. назначения // Науч. тр. Ставроп. сел.-хоз. ин-та.- 1981. - Вып. 44, т.5.

28. Линейный управляющий двигатель : Экспонат " Международной выставки "Советские изобретения за рубеком".- София, 1983.

29. Линейные управляющие электродвигатели.- Ставрополь, 1983.

- ( Информ. листок / Ставроп. ЦНТИ, JS56I ). .

30. Подобие тепловых процессов в электромагнитных элементах применяемых в сельском хозяйстве // Электрификация и автоматизация с.-х. производства : Сб. науч. тр. /. Ставроп. СХИ.- Ставрополь, 1983.

31. Линейный .управляющий электродвигатель.- Ставрополь,I884.

- ( Информ. листок / Ставроп. ЦНТИ, J63 ).

32. Разработка автоматизированных линейных управляющих электроприводов для производства люминофоров с.-х. назначения :. Отчет о НИР / Ставроп. СХИ; ¿'8IÖ34065-I; М.: ВНТИЦентр, 1934.

33. Линейный электромагнитный двигатель.- Ставрополь, 1984.

- ( Ияфор. листок / Ставроп. ЦНТИ (НТД), JSSI ).

34. Критерия приближенного подобия линейного управляющего электродвигателя // Техническая электродинамика, 1985, J5I.

35. Проблемы разработки серии линейных электродвигателей для • с.-х. роботов // Электрификация и автоматизация с.-х. производства : Сб. пауч. тр. / Ставроп. СХИ.- Ставрополь,■1984.

36. Результаты проектирования магнитной системы гаммы ЛУД с.-х. назначения / coebt. М.И.Лысей® /.- Тем se.

37., Электромагнитные элементы систем управления с.-х. назначения // Элекгри фикация и электротехнология с.-х. производства: Сб.. науч. тр. / Ставрополь. СХИ. - Ставрополь, -1985.

38. Линейный тихоходный электропривод с.-х. назначения / совт. В.В.Журавлев / Там же.

39. Технические характеристики новых линейных упразлящих электродвигателей (ЛУД) / Ставроп. СХИ.- Ставрополь, 1986. - Деп. з Информэлектро, 1986, Jê237-3T.

40. Методика и результаты расчетов динамических характеристик новых линейных управлящих электродвигателей / Ставроп; СХИ.

- Ставрополь, 1986. - Деп. в Информэлектро, 1986, JK33£-3T".

41. Линейный привод зерноочистительной машины.- соавт.Л.Л.Иуни-хин, Н.П.Терещенко.- Ставрополь, 1986.- (• Информ. листок / Ставроп. ЦНТИ,- Jfô37.) '

42. Разработка и изготовление серийного образца электропривода гидронасоса на базе линейных управлящих двигателей с.-х. назначения : Сггчет о НИР / Ставроп. СХИ; Л 81034865-2. М. :ВНТИЦентр, 1986.

43. Результаты исследования ЛУД1...25 как элементов САУ.- М.: Информэлектро, Деп. монограф. JÊ645-3T, 1987.

44. Исследование электромеханических характеристик линейного -управляхщего электродвигателя / Ставроп.СХИ.- Ставрополь, 1987.

- Деп. в Информэлектро, 1987. ШЗб-ЭТ.

■ 45. Статика нейтральных электромагнитных приводов / Ставроп. СХИ. - Ставрополь, 1987. Деп. в -Информэлектро, 1987, JÉ826-3T.

46. Основы теории проектирования линейных управлящих электродвигателей.- М.: Информэлектро. Деп. монограф. Й924-ЭТ, 1987.

47. Характеристики линейных управляющих электродвигателей. // Электрификация и автоматизация с.-х. производства: Сб.науч.тр.

/ Ставроп. СХИ. - Ставрополь, 1936.

'48. Привод с линейным управляющим электродвигателем для с.-х. манипулятора. - Там же. • •

49. Разработка и изготовление макетного образца линейного элек тропривода робота доеннч.: Отчет о НИР / Ставроп. СХИ; .№81034865-3. М.: ВНТИЦентр, 1987.

50. Электродвигатель возвратно-поступательного движения : A.C. СССР /' В.Н.Гурницкий / -ИЗ90730; 17.02.86; опубликовано 23.04.88.

57.'. Состояние и перспективы использования ЛУД в с.-х. производстве. / соавт. Л.И.Иунихин / Методы и технические средства эффективного использования электроэнергии в сельскохозяйственном производстве. -Ставрополь, 1987.

52. ЛУД в системах.автоматического управления с.-х. назначения.- Там же.

53. Разработав и изготовление линейного электропривода дозато- ' ра кормушки и.многодвигательного электропривода манипулятора для одевания доильных стаканов Отчет о НИР./ Ставроп. СХИ;

Л 81034865-4. М: ВНТИЦентр, 1988. ,

54. Манипулятор. Положительное решение по заявке № 428II4I/3I- . 08 во. ВНИИГПЭ (соавторы - В.Р.Краусп, Г.В.Никитенко ).

55. Энергия теплового шля катушки электромагнитного элемента // Микропроцессорная техника и электромеханические устройства в автоматических системах : Сб. науч. тр. / Томск. НИИ Автоматики и Электромеханики.- - Томск, 1987.'

56. .Характеристики к.п.д. гаммы ЛУД // Устройства контроля и управления работой' электрооборудования : Сб.науч.тр. / Ставроп. СХИ. - Ставрополь,- 1988.

57.. Устройство для измерения метеопараметров. Положительное решение по заявке №3719002/24-10 во ВНШГПЭ.

ВГ-29955 Заказ№ 54 7. 10.10.19119г. ССХИ.